книги из ГПНТБ / Квитко, М. П. Кислородно-конвертерный процесс

В начале продувки для создания пенистых шлаков и условий преимущественной дефосфорации кинетическое воздействие струи кислорода и пылевидной извести на металл должно быть по воз­ можности слабым. Для получения в конце продувки высоких ско­ ростей окисления углерода желательно, наоборот, наиболее силь­ ное кинетическое воздействие струи на ванну. Для усиления перемешивания ванны в конце продувки и достижения макси­ мальной дефосфорации нужны те лее условия.

При использовании одно- и двухканальных фурм изменять степень кинетического воздействия струи на ванну практически можно только изменением расстояния от сопла до металла. Однако недостаточно точное регулирование положения фурмы приводит к выбросам переокисленного шлака или к выносу металла из полости конвертера, получению неактивных шлаков и прогару головок фурм.

По мнению специалистов фирмы «Арбед», оптимальной яв­ ляется конструкция с регулируемым рассеиванием кислорода (рис. 85). Струя, вытекающая из такого сопла, представляет собой конус, которому вторичный поток кислорода, проходящий через сопла малого диаметра, придает вращательное движение. Вели­ чина конуса, а следовательно, и кинетическое воздействие струи на ванну, определяются расходом вторичного кислорода. Изме­ нением этого расхода можно обеспечить быструю дефосфорацию металла при умеренных скоростях обезуглероживания. Продувка металла при использовании фурмы такой конструкции проходит спокойно, без выбросов, с высоким выходом жидкого металла. Стойкость фурм достаточно высока. Особенно интересно отметить, что применение таких фурм позволяет регулировать в определен­ ных пределах пенообразование первичных шлаков. Однако такие фурмы пока еще не нашли широкого применения; по-видимому, это обусловлено сложностью изготовления.

В конвертерных цехах, работающих на фосфористом чугуне с использованием пылевидной извести, выплавляют как правило, низкоуглеродистые стали. Продувку ведут до содержания угле­ рода около 0,04-—0,05%. Так, на заводе в Денене [76] выпускают сталь со средним содержанием углерода 0,06%. Технология плавки стали в 50-т конвертерах следующая. После окончания предыду­ щей плавки в конвертер подают лом (до 75 кг на 1 т стали) и зали­ вают чугун. Продувку в первом периоде плавки ведут до содержа­ ния углерода около 0,7—1 ,0 %; содержание фосфора в ванне при этом составляет 0,15—0,20% при исходном содержании его в чу­ гуне 1,8%. Пылевидную известь подают через 20—30 с после на­ чала продувки. В течение первого периода расходуется примерно 2/ 3 общего количества кислорода и извести. Шлак первой фазы продувки скачивают, и продувку продолжают до полного окисле­ ния углерода. Если первичный шлак удаляется плохо (например, вследствие недостаточной окисленности), то осуществляют до­ полнительную продувку и дополнительно скачивают шлак.

222

Для охлаждения металла во второй фазе продувки применяют высококачественную железную руду, присаживаемую непрерывно по ходу продувки. Расход кислорода в течение плавки состав­ ляет 100—140 м3/мин при диаметре выходного отверстия сопла

80мм.

После окончания плавки металл сливают в сталеразливочный

ковш, а шлак оставляют в конвертере для заливки на него чугуна последующей плавки. Такая технология с небольшими измене­ ниями, выражающимися в методике охлаждения, характерна для конвертерных цехов Бельгии, Франции и ФРГ. На заводе фирмы «Еш-Бельвиль» в Диллингене для охлаждения применяют желез­ ную руду, вводимую в конвертеры (всего два конвертера на 30 т) непрерывно при помощи вибрационных желобов. Расход кисло­ рода составляет 50—80 м3/мин. Используются фурмы с цилиндри­ ческим соплом диаметром 55 мм. Всю известь подают в струе кислорода.

Кислородно-конвертерный цех в Дюделянже оборудован двумя конвертерами тюльпанообразной формы емкостью по 50 т. Цех выплавляет низкоуглеродистую сталь для глубокой вытяжки и небольшое количество углеродистой стали, содержащей до 0,40% С. Технология выплавки практически не отличается от описанной выше. Следует обратить внимание лишь на два момента. Для охлаждения плавок используют в основном стальной лом, его присаживают не только перед сливом чугуна, но и после ска­ чивания первичного шлака. Это позволяет более точно регулиро­ вать температуру выпуска металла и температурный режим всей плавки, но приводит к увеличению длительности, так как затрачи­ вается время на вторую завалку лома (руду подают но ходу про­ дувки).

Следующая особенность заключается в том, что для дезакти­ вации конечного шлака, остающегося в конвертере, и устране­ ния выбросов при заливке чугуна на шлак перед сливом подают чугунную стружку и уголь с таким расчетом, чтобы свести к ми­ нимуму концентрацию железа в шлаке. После этого сливают чу­ гун; процесс слива длится около'2 мин. Смысл этой операции тех­ нологически не совсем ясен: восстановление шлака затрудняет шлакообразование в пер'вом периоде и кроме того, уменьшает тепловую отдачу конвертера, так как сокращается расход лома на 50 кг/т чугуна. Правда, восстановление шлака дает возможность сливать чугун за 2 мин, в то время как в отсутствие дезактивации эта операция длится обычно 5^-6 мин. Во всяком случае примене­ ние такого приема требует точных экономических расчетов для каждого конкретного завода, так как может оказаться, что за­ медление слива чугуна экономически менее целесообразно, чем увеличение расхода лома и сокращение расхода кислорода, по­ скольку в конечном шлаке содержится много железа.

На заводе в Дюделянже особое внимание обращают на пол­ ноту скачивания шлака. Причем, для наиболее полного удаления

223

промежуточный шлак должен быть пенистым. Если температура металла в первом периоде достаточно высока (около 1600° С), а основность шлака не очень высока, то первичный шлак не содер­ жит корольков железа. При более низких температурах и высокой основности шлака (более 2 ,2 ) целесообразно дополнительно ска­ чивать шлак.

Первичные шлаки отличаются небольшой окнсленностыо (не более 7— 11% FeO) .и очень высоким содержанием Р 2Ов (не менее 10—12%). Содержание кремнекислоты в конечных шлаках не превышает 8 %. Низкоуглеродпстая сталь, получаемая по такой технологии, характеризуется весьма низким содержанием вред­ ных примесей. Среднее содержание фосфора в стали завода в Денене составляет 0,014—0,018%; на заводе в Дюделянже концен­ трация фосфора в металле перед раскислением и в конечном ме­ талле составляет соответственно 0,012 и 0,013% при разбросе зна­ чений фосфора от 0,008 до 0,024%.

Расход пылевидной извести колеблется на различных заводах от 1 0 0 до 1 2 0 кг на 1 т чугуна при работе с оборотным шлаком. Если конечный шлак не используется по каким-либо причинам, то расход извести возрастает до 130— 135 кг/т. Выход жидкого ме­ талла составляет около 88,5—89,0% от массы металлошнхты.

Как следует из приведенных выше данных, технология плавки низкоуглеродистой стали с применением пылевидной извести прак­ тически не отличается от технологии плавки с использованием кусковой извести, но в то же время обеспечивается более низкая концентрация фосфора в конечном металле. Не менее важно и то, что результаты по дефосфорации металла отличаются высокой ста­ бильностью. Использование пылевидной извести приводит к до­ вольно значительному сокращению ее расхода при одновременном некотором уменьшении окисленное™ шлаков.

Более сложным вопросом является выплавка средне- и высоко­ углеродистой стали. В Дюделянже освоена выплавка стали с со­ держанием углерода до 0,40%. Для получения необходимого со­ держания фосфора дополнительно скачивают шлак и увеличивают интенсивность перемешивания металла и шлака в конечной фаз'е продувки. Для этого за 1—2 мин до достижения необходимого со­ держания углерода фурму опускают вниз до минимально возмож­ ного положения и одновременно увеличивают расход кислорода. В результате увеличения кинетической • энергии струи в месте встречи с металлом интенсифицируется окисление углерода и улуч­ шается перемешивание металла со шлаком. Средний анализ стали, получаемой таким методом, следующий: 0,026% Р, 0,36% С, 1,67% Мп и 0,014% S. Разброс значений по содержанию фосфора укладывается в пределы 0,015—0,030%. Нетрудно заметить сдвиг в сторону более высоких концентраций фосфора при выплавке среднеуглеродистого металла.

Исследование, проведенное в ЦНИИЧМ на 10-т опытном кон­ вертере, также показало, что для остановки процесса на заданном

224

Изменение концентрации фосфора в зависимости от содержания углерода ванны описывается уравнением

[Р] = 0,057 — 0,113 [С] + 0,133 [С]2.

Конечное содержание фосфора в металле перед раскислением составляет 0,020—0,040%, что хорошо согласуется с результатами, полученными' в Дюделянже.

Минимальное содержание фосфора наблюдалось при 23— 26% FeO в конечном шлаке; дальнейшее увеличение окисленности не только не улучшает условия дефосфорации, но и вызы­ вает некоторый рост концентрации фосфора:

[Pj = 0,15 — 0,0837 (Реобш) + 0,000148 (Feo6li;)2,

что объясняется, снижением ионной доли Са2+.

Максимальное значение коэффициента распределения фосфора

коэффициента распределения фосфора от величины этого отноше­ ния:

При этом соотношении компонентов шлак обладает, по-види­ мому, максимальной активностью. Основность шлака при выплавке среднеуглеродистой стали оказывает на дефосфорацию весьма значительное влияние лишь до определенных значений: увеличе­ ние основности более 2,4 не сопровождается снижением концен­ трации фосфора.

226

Если учесть все требования к составу конечного шлака и осу­ ществлять двойное скачивание шлака по ходу продувки, то вы­ пуск металла с низкими .концентрациями вредных примесей не представляет особых трудностей. Средние технологические дан­ ные по балансовым плавкам для передела чугуна различного со­ става приведены в табл. 60.

Материальные и тепловые балансы плавок приведены в табл. 61

и 62.

В табл. 63 приведен баланс по железу. Следует указать на сравнительно небольшие потери железа в виде окислов со скачи­ ваемым шлаком. Из баланса железа можно видеть, что с оставле­ нием конечного шлака в конвертере выход железа увеличивается на 0,97—1,1%.

Общая продолжительность цикла плавки составила 40—42 мин. При продувке пылевидной известью и оставлении конечного шлака

В соответствии с увеличением цикла плавок производительность кислородных конвертеров при переделе фосфористого чугуна и при подаче пылевидной извести уменьшается примерно на 2 0 % по сравнению с производительностью при переделе мартеновского чугуна.

Следует отметить, что работа с оборотным шлаком вообще, а при выпуске среднеуглеродистой стали в особенности, требует строгого контроля технологических параметров, в частности ко­ личества удаляемого шлака. Шлак, остающийся в конвертере после скачивания, весьма сильно влияет на ход последующей продувки и ход продувки последующих плавок. Это было пока­ зано исследованиями, проведенными на заводе в ДортмундХерде [77]. На этом заводе установлено два 150-т конвертера производительностью 90—100 тыс. т/мес. Продувку ведут с исполь­ зованием пылевидной извести; конечные шлаки оставляют в кон­ вертере. Чугун содержит около 1,8% Р и 0,4% Si.

Для взвешивания первичного скачиваемого шлака на тележ­ ках для шлаковых чаш установлены месдозы. Чаши снабжены гидравлическими устройствами для их подъема и перестановки. Упругая деформация, возникающая в месдозах под давлением, преобразуется в электрический сигнал, для этого предусмотрен тензометрический датчик, Таким образом обеспечивается непре­

228

рывное взвешивание шлака при сливе его из конвертера. Уста­ новлено, что недостаточно полное удаление первичного шлака и перенесение дополнительного количества шлака на следующий период продувки приводит к увеличению выбросов и потерь ме­ талла. Это положение иллюстрируется рис. 8 8 , а и б, на котором показана взаимосвязь между количеством удаляемого первичного шлака и склонностью к выбросам в конце первого периода для

удаленного шлака на первых трех плавках было незначительным, поэтому возросло количество шлака на последующей плавке. Вследствие этого продувку четвертой плавки вынуждены были прекратить преждевременно и дополнительно скачать шлак. Однако на четвертой плавке разность между взвешенным и расчетным количествами шлака оставалась высокой, что привело к прежде­ временной остановке продувки пятой плавки. Особенно четко такая зависимость проявилась на 12-й—13-й плавках; на 13-й плавке повалку конвертера вынуждены были осуществить после израсходования всего 3300 м3 кислорода. Установленная взаимо­ связь позволяет видеть, насколько важно соблюдать технологи­ ческие параметры продувки при переделе высокофосфористого

т

чугуна. Для нормальной работы конвертерного цеха необходим контроль количества скачиваемого шлака.

Большой интерес при переделе фосфористого чугуна пред­ ставляет выплавка стали с высоким содержанием углерода (бо­ лее 0,5%), поскольку конвертерные цехи могут поставлять зна­ чительное количество стали для изготовления железнодорожных рельсов. Выплавка такого металла представляет значительные трудности, которые связаны с тем, что дефосфорация при сравни­ тельно высоком содержании углерода проходит замедленно. Большое количество шлака, характерное для передела фосфори­ стых чугунов, не дает возможности во время продувки повышать его окисленность более 14— 15% по FeO, так как при переходе этой граничной окисленности начинаются выбросы. Это же обстоя­ тельство затрудняет определение содержания примесей и замер температуры, так как при взятии проб происходит восстановление окислов железа и угар углерода.

Попытка разработать технологию выплавки стали с высоким содержанием углерода предпринята в Диллингене [78]. Техно­ логия выплавки стали в этом случае незначительно отличалась от уже описанной технологии при получении стали, содержащей до 0,30—0,40% С. Количество углерода в углеродистой стали в некоторых случаях достигало 0,7%. Также, как и при выплавке среднеуглеродистой стали, в конвертере оставляли конечный шлак и перемешивали металл со шлаком в конце продувки для умень­ шения содержания фосфора и дезактивации шлака.

Основным отличием являлось большее расстояние от сопла до металла и снижение интенсивности продувки в течение плавки. Кроме того, для достижения достаточно низких содержаний фосфора увеличивали количество подаваемой извести (что, есте­ ственно, приводило к увеличению количества шлака и уменьше­ нию концентрации фосфора при тех же значениях коэффициента распределения). Сколько-нибудь подробные технологические дан­ ные, относящиеся к технологии выплавки высокоуглеродистого металла за рубежом, отсутствуют. Необходимо отметить, что ста­ бильность результатов по содержанию фосфора при высоком со­ держании углерода в исследованиях была значительно ниже, чем при выплавке среднеуглеродистого металла.

Технология выплавки металла с высоким содержанием угле­ рода разработана и в СССР. Условия проведения исследования были аналогичны приведенным выше при разработке технологии получения среднеуглеродистой стали. Выплавка рельсового ме­ талла из высокофосфористого чугуна на основе керченских руд затруднялась высоким содержанием в нем марганца.

При отработке технологии выплавки высокоуглеродистого металла необходимо было определить как термодинамические, так и кинетические условия получения низкой концентрации фосфора. Наиболее рациональный состав шлака в конце продувки выбирали, исходя из сопоставления фактических содержаний

230

компонентов в шлаке и содержания фосфора под шлаком данного состава с равновесными содержаниями для шлака данного со­ става, определенными расчетом по методике В. А. Кожеурова [69]. Для контроля принятой методики сравнивали расчетные значения

сфактическими, полученными в лабораторных условиях [70]. Сопоставление расчетных концентраций фосфора с действи­

тельными показало, что различие между ними невелико (рис. 89) и минимально при содержании фосфора в металле в пределах 0,020—0,050%. Отношение [Р]ф/[ Р ]„' резко увеличивается лишь при содержании фосфора в металле ниже 0,015%. Для получения

Зависимость концентрации фосфора от содержания закиси железа в шлаке для равновесных и фактических значений можно описать выражениями:

Из приведенных уравнений следует, что увеличение концен­

содержания железа выше .указанных пределов сопровождается ростом степени неравновесное™ между металлом и шлаком (рис. 90). Увеличение степени неравновесности между металлом и шлаком при росте концентрации железа объясняется:уменьшением ионной.доли Са2+ в шлаке и тем, что увеличение окислённости при прочих равных условиях характеризует уменьшение интенсивности перемешивания между металлом и шлаком, а сле-

231